汽轮机高压转子钢裂纹扩展.pdf

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1、汽圜哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(黑龙江1500．46)张广东雷阳孙智勇王龙梅【摘要】介绍了常用汽轮机在高压条件下，刚性转子在强度方面设计有局限性。论述了在裂纹扩展方面汽轮机刚性转子的重要性。通过其扩展机理的研究得出影响刚性转子裂纹扩展的因素，为汽轮机转子钢的设计研究提供了安全保障。【关键词】汽轮机高压转子钢裂纹扩展一，前言历经半个多世纪，随着电力以及能源利用率的提高，人们对汽轮机装备越加重视，为了提高火电机组的工艺参数，各国针对材料在耐温方面，做了大量研究。转子作为火力发电设备机组的重要部件，其特性在材料发展方面，尤为重要。在断裂力学诞生之前，转子钢都是按照传统强度理论进行设计，但其对构件

2、安全使用不能总是得到保证。今天，装备设计越发高端化、巨大化。低于设计理论压力条件下的脆断事故频繁发生。研发人员通过这些断裂事故分析，表明造成这些事故的是材料本身存在的问题，在加工制造的过程中，发生自构件材料内部的微观现象，掺有杂质、晶界等，在系统的内部和外部交互作用下都会形成宏观裂纹。在制造加工过程中，大型汽轮机转子表面难免会出现缺陷或裂纹，但从断裂力学的观点看，转子表面的裂纹并不代表其报废，只有裂纹扩展到一定临界值时，才是其寿命的终结。已有研究表明，转子的寿命受蠕变、疲劳以及蠕变一疲劳交互作用的影响。特别对刚性转子在蠕变以及蠕变—疲劳交互作用下的裂纹扩展行为进行规律总结，对于保证转子无故

3、障运行具有重要意义。GMinElectricPoWer二．刚性转子裂纹扩展机理裂纹的形成和扩展是材料断裂必经的两个阶段。材料断裂条件、机理及特征，随材料类型的不同而改变，为了方便研究，将转子钢按不同的方法进行分类，例如按宏观脆性在断裂过程中材料所发生的形状变化程度，分为脆性断裂和韧性断裂；按照晶体断裂时的扩展方式，分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微小观察断裂机理，分为解离断裂和剪切断裂；按照力的作用方式还可分为正向断裂和切向断裂。1．蠕变裂纹扩展机理刚性转子的蠕变裂纹扩展在不同的温差变化下，会呈现出不同的失效方式。在扩展与折断裂纹机理的研究中，高温Auoy800H在金相图中，观察到三种蠕变扩展

4、方式(见图1)。韧楔沿晶裂纹(见图la)用晶界滑移滚动和应力集中模型来给予诠释。在恒定不变载荷作用下，最大切向应力在晶界滑移滚动，会发生应力集中。如果这种应力集中不能被滑移的晶粒的迁移或塑性变形松弛，那么应力集中将会再结合强度，其在一定条件下，在三晶粒交界处发生开裂，形成韧楔空洞。空洞归聚型裂纹(见图lc)可用空位聚集模型来解释，在垂向拉应力作用下，当晶界上应力水平超过某一临界值时，会通过空位聚集形成空洞。当空洞核心形成后，空位内的晶界内外在不断施加应力作用下向空洞处扩散，使其长大并形成裂纹。在温度较低，应力较大的条件下，由金属构成的材料因滑移的缘故发生解离或晶粒与晶粒间发生断裂，：Ⅲ年第

5、硼黑黑怒j812们3年第4期mv、v．e蜘x．com{VIGMinElectricPow凹这一断裂具有脆性应变的特性；当温度高于转变温度时，断裂方式将转变为穿晶断裂(见图1b)，通过第二相界上的空洞形核的长大和连接形成；当作用应力很高时，断裂瞬时发生；当在较高温度和较低应力条件下，空洞缓慢蠕动变化增长变大，导致大应变断裂。(a)韧楔沿晶裂纹(b)穿晶裂纹◆y●?●，‘、·、．霸．·fi：e．堡于～_一(c)空洞归聚型裂纹图1蠕变裂纹扩展的三种方式2．蠕变一疲劳裂纹扩展机理影响蠕变一疲劳裂纹扩展主要有温度、应力变化幅度、应力变化速率和持续时间、蠕动变化强度和材料韧性等因素。本文仅对最大载荷处

6、时间对蠕变一疲劳裂纹扩展的影响作探究。当试样加载频率很高(即持续时间很短)且满足蠕变高温条件下，裂纹的开裂与扩展也要受到疲劳因素的影响并且与循环有关。随着时间的积累，蠕变一疲劳裂纹以穿晶的方式扩展(见图2a)，当时间累积到某一临界值，裂纹扩展将完全受蠕变影响，其主要扩展方式将变为沿晶扩展(见图2b)。持续时间介于穿晶和沿晶这两种条件下，裂纹扩展将受到蠕变和疲劳的交互作82}黑嚣紧：Ⅲ年籼用。在短持续时间内，疲劳破坏先于蠕变发生，前期裂纹扩展以穿晶为主，之后出现沿晶现象(见图2c)。在长持续时间内，疲劳与蠕变的破坏同时发生，扩展方式以穿晶和沿晶相结合为主(见图2d)。雌】z，／、小弋)(I(

7、b＼(c)疲劳一蠕变交互作用(d)疲劳一蠕变交互作用(蠕变打破后发生)(蠕变打破同时发生)图2蠕动变化—疲劳裂纹三．影响转子钢裂纹开裂扩展的原因对材料裂纹扩展速率外的影响因素有温度、应用环境、荷载类型以及保持时间等。刚性转子裂纹在扩展过程中受以上各因素的综合影响，试验过程中就各外在因素对裂纹扩展的影响进行逐一研究，分析出各因素对材料裂纹扩展的影响。1．温度的影响据科学研究，温度提升越明显，蠕变扩散裂纹的扩展速率就越快。例